Cimentacion Arenas Sueltas

LA TESIS DEL MES

CIMENTACIONES CIMENTACIONES EN SUELOS S UELOS GRANULARES FINOS (Un resumen aprobado por el autor)





Ing. Oscar Eduardo Eduardo Donayre Cordova Universidad Universidad Ricardo Palma Facultad De Ingeniería Civil

INTRODUCCIÓN Este trabajo de Tesis comprende la Evaluación del comportamiento de campo de los Suelos Granulares Finos del Sur de Lima. Esta evaluación se ha llevado a cabo en base a los trabajos del Taller de Investigación Estudiantil dirigido por el

Dr. Ing. Arnaldo Carrillo Gil, Director de la

Unidad de Investigación de la Facultad de Ingeniería de la Universidad Ricardo Palma, en la que han participado los alumnos del curso de Cimentaciones, con la dirección académica del profesor del curso y la asistencia del autor de esta Tesis de Grado durante varios años.

OBJETIVOS Proporcionar teorías del comportamiento de los suelos granulares finos. Análisis de parámetros geotécnicos para cimentaciones apoyadas en suelos granulares finos y gruesos en Lima. Evaluación del riesgo geotécnico y sísmico como resultado del análisis en suelos granulares en los distritos investigados. Evaluación

por

el

método

simplificado

para

deformaciones

o

asentamientos por sismo en arenas. Aporte técnico a la ingeniería peruana que permita conocer mejor nuestros suelos granulares finos, en beneficio de más de un millón de personas que habitan en estos sectores de Lima Metropolitana.

MARCO TEÓRICO COMPORTAMIENTO DEL SUELO GRANULAR Al aumentar la presión de sobrecarga en el suelo se origina el incremento de su rigidez y resistencia los lo s que varían con la profundidad. En una cimentación superficial sometida a cargas de servicio, los esfuerzos efectivos se incrementan por el campo de esfuerzo que crea la cimentación. Produciéndose en los suelos no cohesivos como la arena, el cambio del esfuerzo efectivo de manera inmediata. La rigidez y resistencia son funciones del esfuerzo efectivo, el asentamiento que se producen debido a la carga de la cimentación no se pueden evaluar tan fácilmente. Una solución común es el de considerar una área uniformemente cargada sobre un semi-espacio homogéneo, isotrópico y linealmente elástico. Otras soluciones analíticas se desarrollan considerando al semi-espacio linealmente elástico con un módulo de elasticidad que aumenta proporcionalmente con la profundidad. El asentamiento de la cimentación en la que actúa una presión p y la presión admisible para un asentamiento especifico, puede decirse que son los problemas de mayor interés. Dando una solución linealmente elástica, se obtiene un asentamiento "s" para un semi-espacio debido a una carga uniformemente aplicada a la superficie:

Donde E y n son los módulos de Young y Possion respectivamente para un determinado semi-espacio;

B

es la menor dimensión de la

cimentacion e I el factor de influencia influencia que depende de de la forma forma de la misma. Si el área cargada es circular de diametro D, I =1; s es el asentamiento central y B = D. Si el área cargada cargada es rectangular de largo largo L, s es el asentamiento medio e I varía con la relación L/B desde 0,95 para para

L/B = 1 (área cuadrada) hasta un valor de aproximadamente 2,25 para L/B = 10. La capacidad de carga para producir la falla de la cimentación sobre estrato de arena aumenta aproximadamente de manera lineal con la profundidad. Las propiedades del suelo granular fino, establecen que la presión de la f

carga admisible basado en la falla P a (incluyendo un factor de seguridad 3) es menor que la presión admisible relacionado con el de asentamiento P

s a

para anchos de zapatas menores a 4 pies (1,2 m). Para zapatas de mayores dimensiones, podemos decir que el asentamiento debe ser el criterio que lo controle. Como en la práctica, es difícil extraer muestras de arenas inalteradas, para obtener el peso unitario y otras propiedades de las mismas in-situ. Se dificulta la obtención de valores de las propiedades de la arena para emplearse en los cálculos del asentamiento teórico o de la capacidad de carga. Es por ésta razón, que las propiedades de los depósitos de arena se obtienen mediante ensayos de campo. Las investigaciones muestran que las propiedades como la rigidez y resistencia para un determinado material granular varía con su densidad relativa Dr, definiéndose ésta como:

Dr =

emáx

-

enat

emáx

-

emín

x 100%

O en términos de la densidad seca:

Dr =

g dnat g dmáx

-

g dmín

-

g dmín

g dmín g dnat

x 100%

Un determinado esfuerzo depende de la densidad relativa, del tamaño de grano, la granulometría, del estado de esfuerzos in-situ, y especialmente del esfuerzo horizontal y el grado cementante de las partículas del suelo granular.

Cabe señalar, que cuando el grado cementante es bajo entre las partículas del suelo este tiene una considerable influencia en su comportamiento, el cual es totalmente destruido en todo procedimiento de muestreo. Por esta y otras consideraciones, los suelos granulares son mucho más rígidos y resistentes en el lugar, que lo que reflejan las muestras extraídas para ensayos de laboratorio. Hay ensayos de campo muy empleados para obtener las propiedades en suelos granulares, como son: El ensayo de penetración estándar (SPT) y el ensayo de densidad relativa.

En el SPT, se tiene un tubo muestreador normalizado el cual es hincado en el suelo mediante un peso de 140 libras (0,62 KN) que es elevado y soltado de una altura de 30 pulgadas (0,76 m) para impactar sobre una collera situada en la parte superior del muestreador. La condición del suelo se evalúa por el número de golpes (N) requeridos para hincar, el muestreador una distancia de 1 pie (0,30 m); Ensayo ASTM D1586. Antes, el valor de N era sólo relacionado directamente con la densidad relativa: un N menor que 10 nos indica una arena muy suelta a suelta, de 10 a 30 una arena medianamente compacta y por encima de 50 nos indica una arena muy compacta. Sin embargo, investigaciones posteriores muestran que la presión de sobrecarga debe también estar incluida en ésta relación. Por lo que se corrige los valores N obtenidos en campo para diferentes profundidades profundidades y presiones de sobrecarga. Estas relaciones y otras se muestra en las siguientes figuras:

Tomando en cuenta los resultados obtenidos en campo del SPT, se sugiere lo siguiente para determinar la presión de carga admisible: 1.- Corregir, los resultados de la Figura 2.1, con respecto a la sobrecaraga para una profundidad B bajo la zapata, equivalente a la profundidad de cimentación. 2.-Si existe nivel freático bajo la zapata, se debe multiplicar el valor obtenido Pa por un factor a, donde a es la relación de la presión de sobrecarga efectiva a una profundidad de B/2 bajo la zapata en presencia del nivel freático con respecto a la presión efectiva en ausencia del mismo

El espesor inicial de diseño de losa debería resultar diferente al asumido, al repetirse el cálculo debiendo considerar los valores de ko1 de la Tabla 2.2 sugerida por Terzaghi para arenas que pueden emplearse en los cálculos de diseño preliminar o en donde los ensayos de campo no se puedan efectuar.

APLICACIÓN PRÁCTICA El comportamiento inelástico de los suelos granulares finos es la causa última de los fenómenos de densificación, licuefacción, asentamientos, falta de capacidad portante y otros problemas que no han recibido gran atención en los depósitos de suelos arenosos que conforman gran parte de las áreas densamente pobladas de los distritos del sur de Lima Metropolitana. Se pretende con este trabajo de investigación dar una visión del comportamiento probable del suelo en esta zona de Lima que está propensa a sufrir graves daños en caso de ocurrir un sismo de gran magnitud que afectaría una población aproximada de un millón y medio de personas que habitan en los distritos del sur de Lima, según cifras de población del último censo y la respectiva proyección actual, información del INEI, Tabla 3.1

ANÁLISIS DE PARÁMETROS DISEÑO CASO ESTUDIADO EN LOS BARRIOS MARGINALES DEL SUR DE LIMA Tabla 3.1

Información Estadística de Población

TRABAJOS DE CAMPO EN LOS DISTRITOS DEL SUR En la primera etapa de nuestro trabajo se efectuó encuestas en las áreas señaladas, encontrándose resultados que nos obligaron a profundizar nuestro estudio, ya que de su análisis se obtuvo respuestas que revelan un gran porcentaje de riesgo para los moradores de estas zonas ya que la mayoría de ellos no sienten seguridad en sus casas a pesar de que la mayoría de las viviendas son de un piso y el material predominante de construcción es el ladrillo, que

casi todas son edificadas por

autoconstrucción sin ninguna ayuda o dirección técnica. Encontrándose estas por debajo o cercanas a fuentes de alto riesgo, como cables de alta tensión, grandes reservorios de agua (lagunas de oxidación), taludes de rocas sueltas o degradadas, cimientos apoyados en rellenos sanitarios, etc.; las respuestas a la encuesta en muchos casos indican que se encuentran más seguros en la calle que en sus casas.

Distrito De Chorrillos

Distrito de Villa María del Triunfo

Distrito de San Juan de Miraflores

Distrito de Villa El Salvador

Cúal fué su prim era reacción en un sismo? Otros 3.0%

Qué lugar es más seguro en su Barrio en cas o de sismo?

Nada 4.5%

Otros 2.6%

Rezar 3.4%

No hay 7.2%

Cerro 4.2%

Salir 28.3% No Responde 58.9%

Parque 24.2% Calle 61.8%

No Reacciona 1.9%

Qué lugar es más seguro en su Casa en caso de sismo? Otros 23.7%

Exi ste Cables de al ta tensión ce rcanos a su Barrio?

Patio 30.1%

No 35.6%

Nada 11.9%

Si 59.3%

Sala 7.6%

Marco 8.9%

Columna 12.7% Baño 5.1%

Qué es lo primero que haría en caso de sismo?

No Sabe 5.1%

En qué lugar no le gustaría estar en un sismo?

No Sabe 13.8%

Otros 8.6%

No Opina 4.0%

Edificio 9.1%

Lugar Seguro 11.9%

Salir 40.7%

Casa 33.8%

Cine 5.6% Playa 4.4%

Ascensor 8.1%

Buscar a Hijos 25.0%

Serenarse 8.6%

Calle 26.4%

ENSAYOS DE CAMPO Y EXPLORACION

Como segunda etapa se efectuó en los distritos estudiados los trabajos de exploración, muestreo y ensayos de compacidad y peso unitario in-situ mediante la barra de penetración y el cono de arena respectivamente. Practicándose pozos de exploración de 0.50 m hasta 2.50 m de profundidad (profundidad de cimentación más común en edificaciones livianas), asi mismo se extrajeron muestras representativas de los estratos encontrados que luego se llevaron al Laboratorio de Mecánica de Suelos de la URP para los ensayos correspondientes. Con la finalidad de obtener información real sobre las condiciones del suelo de cimentación en las áreas de estudio, se efectuó una minuciosa campaña de exploración, sondeos y muestreo, la misma que ha alcanzado un total de 2611 sondeos con similar número de ensayos de penetración y ensayos de caracterización de las muestras obtenidas.

Distrito de Chorrillos



Distrito de Villa El salvador

PRUEBA DE PENETRACIÓN DE BARRA Esta prueba se realiza in-situ, con la finalidad de establecer la resistencia que presenta el suelo granular fino. El penetrómetro, creado por el Dr. A. Carrillo Gil, (1985) lo constituye una barra acero corrugado de ½  cuya longitud varía entre 1.00 a 1.20 m, al que se le adiciona una guía de longitud 0.425 m donde se coloca un martillo de peso 4.00 Kg, que tendrá una altura de caída libre de 0.305 m. El peso del martillo al dejarse caer sobre la varilla se hincará en el suelo, realizándose para ello el conteo del número de golpes para que la varilla penetre longitudes de 0.15 m, 0.30 m y 0.45 m. Con estos valores del número de golpes obtenidos de manera similar al SPT y aplicando un factor de corrección obtenemos el grado de compacidad en que se encuentra el suelo arenoso obteniéndose así una evaluación aproximada de su resistencia.

ENSAYO DENSIDAD IN SITU MÉTODO DEL CONO DE ARENA 



El método del cono de arena puede aplicarse con cualquier tipo de suelo, utilizando arena seca calibrada. El equipo consiste en:

Un frasco de 1 galón (3,785.1 lt) de volumen y otra pieza formada por una válvula cilíndrica con un orificio, que termina en embudo pequeño en uno de los extremos y otro grande en el opuesto. Arena limpia, seca, cuya densidad aparente se conozca y que fluya libremente y que tenga pocas, a ser posible ninguna, partículas que pasen por el tamiz N° 200 o que sean retenidas en el tamiz N° 10. Una balanza de sensibilidad al gramo y otra de 0.1g. Plataforma o plato metálico con agujero del diámetro del embudo, piqueta o cincel, comba pequeña, brocha y cuchara para cavar el agujero del ensayo.

TRABAJOS DE LABORATORIO

Análisis de Parámetros Diseño Caso Estudiado en los Barrios Marginales Del Sur de Lima Tabla 3.2

Sondeos y Ensayos practicados en in-situ en los Distritos investigados

Análisis de Parámetros Diseño Caso Estudiado en los Barrios Marginales Del Sur de Lima Tabla 3.3 Ensayos De Laboratorio Ejecutados








Distrito de Villa el Salvador

METODO SIMPLIFICADO PARA CALCULO DE ASENTAMIENTOS POR SISMO EN ARENAS Método analítico simplificado para evaluar los asentamientos probables de un depósito de arena propenso a vibración sísmica para condiciones del suelo saturado como no saturado (Tokimatsu-Seed). En arenas saturadas el primer factor que controla los asentamientos inducidos, por vibración sísmica es la relación del esfuerzo cíclico y la máxima deformación por esfuerzo cortante. En arenas en estado seco o parcialmente saturadas son las deformaciones cíclicas inducidas, junto a valores del número N Ensayo de Penetración Estándar (SPT) así como la magnitud del sismo, quienes controlan los asentamientos inducidos.

PROCEDIMIENTO DE CÁLCULO La deformación por esfuerzo cortante desarrollado in situ durante un sismo puede evaluarse con los valores tentativos del potencial de la deformación por esfuerzo cortante para cualquier combinación de la

relación del esfuerzo cortante cíclico y el valor de N del ensayo SPT para un sismo de magnitud 7,5. De una manera similar Tokimatsu y Yoshimi (1984)

determinaron

que

la

máxima

deformación

potencial

es

razonablemente compatible con la deformación potencial propuesta por Seed cuando se toma en cuenta la diferencia de la energía del SPT con respecto a la forma como ellos lo realizan. La relación del esfuerzo cortante está dada por:

En el cual  a v = el esfuerzo cortante cíclico promedio inducido por la vibración sísmica, a máx = aceleración horizontal máxima en la superficie del terreno natural; o = la presión de sobrecarga total a la profundidad considerada; o' = la presión de sobrecarga efectiva; y rd = factor de reducción de esfuerzo, el cual varía desde 1 en la superficie del terreno natural hasta un valor cercano a 0,9 para la profundidad de 9 m (30 pies). En cuanto al valor de N del ensayo SPT se corrige y puede determinarse por:

Donde: (N1)60 = Valor de N al 60% de la energía teórica de caída libre N = Valor de la cantidad de golpes / pie del SPT. CN = Factor de corrección por presión de sobrecarga efectiva a la profundidad del SPT CER = Factor de energía desarrollada en el ensayo SPT

Para la aplicación del procedimiento siguiente es necesario una base datos que caractericen los estratos del suelo subyacente que se quiere analizar,

estos datos deben sustentarse en los trabajos de exploración y muestreo que se efectúe, así como ensayos de campo y laboratorio necesarios para los requerimientos siguientes:

Perfil estratigráfico del suelo subyacente a la cimentación planteada hasta la profundidad que se estime para el análisis. Peso unitario, densidad mínima y máxima, análisis granulométrico; de muestras representativas de cada estrato involucrado para el análisis. Con los datos anteriores calcular la Densidad relativa de cada estrato del suelo. Valor del número de golpes / pie N, del ensayo SPT o similar que nos describa la variación de la Compacidad del suelo en los estratos encontrados. Calcular la presión de sobrecarga que soportara la cimentación estudiada, debido a la estructura, se sugiere aplicar la metodología de Boussinesq, para cualquier tipo de influencia de carga. Valor del ángulo de fricción interna , representativo del estrato de suelo, de ser posible el valor utilizado se debe sustentar con un ensayo de corte directo. Valor estimado de la máxima aceleración horizontal de la superficie del suelo, relacionado a una magnitud sísmica que podría alcanzar el movimiento sísmico esperado. Se realizarán los cálculos siguiendo el orden del formato que se indica en la tabla siguiente:

TABLA 4.2 Asentamientos calculados por el procedimiento descrito para un depósito de arena en estado seco

TABLA 4.3 Asentamientos probables calculados por el procedimiento descrito para un depósito de arena en estado seco, ubicado en Villa El Salvador



Distrito Villa María del triunfo


EVALUACION DEL PROBABLE COMPORTAMIENTO DEL SUELO Y ZONIFICACION DE RIESGO GEOTÉCNICO Y SISMICO

Distrito de Chorrillos En la parte noreste del distrito existen viviendas que están apoyadas en parte de las faldas del Morro Solar sobre arenas limosas con valores de N 25 golpes por pie. Estas edificaciones podrían sufrir graves daños por

<

efecto de la modificación de onda sísmica, efectos que también podrían desprender porciones de roca intemperizada y fracturada que se encuentran en las partes altas poniendo en grave peligro a las viviendas de la parte baja. Otro sector vulnerable a efectos de sismo severo se ubica en las áreas colindantes

a

los

Pantanos

de

Villa

conformados

por

arenas

permanentemente saturadas y propensas a sufrir efectos de licuación en caso de encontrarse sueltas. El resto de las áreas estudiadas presentan mejores condiciones de apoyo y deformación del suelo que mantiene valores de N

>

35 en la mayoría de

los casos.


Zonas de Riesgo Sísmico geotécnico 15% del área total.

y

Distrito de San juan de Miraflores El primer sector ubicado dentro de una gran quebrada seca que baja de la parte alta de Ciudad de Dios hasta llegar a la Av. Pachacútec o Prolongación Thomas Marsano, presenta un suelo de apoyo de arenas limosas en estado suelto a medianamente compacto (18
gran parte del área y otra ubicada al sur oeste junto a la auto pista Panamericana Sur donde se encuentra un antiguo relleno sanitario encima del que se han construido viviendas livianas que podrían dañarse por efectos sísmicos.

Distrito de San juan de Miraflores

Zonas de riesgo sísmico geotécnico 28% del área total

y

Distrito de Villa María del Triunfo La gran mayoría de las viviendas se encuentran ubicadas dentro de quebradas secas, apoyadas en arenas medianamente compactas (N > 30) y rodeadas de roca con distintos grados de intemperismo de los cerros adyacentes. En algunos sectores de los extremos sur y norte, en José Gálvez, María Auxiliadora, César Vallejo, San Gabriel Alto y Vallecito, se detectan depósitos de arenas de origen eólico y marino con valores de penetración menores a 18 golpes y presencia de conchuelas y caracoles mezclados con las arenas sueltas que podrían densificarse en caso de un terremoto importante. Otra condición de alto riesgo en esta área se presenta en las numerosas edificaciones construidas en las laderas de los cerros y que se encuentran cimentadas sobre pircas de piedra sin ningún material de liga o cementante formando terrazas donde se apoya la estructura. También es necesario tomar en cuenta el efecto de amplificación y refracción de onda sísmica que se produciría en las quebradas donde se han construido gran cantidad de viviendas.

Zonas de Riesgo Símico y Geotécnico 40 % del Area Total

Distrito de Villa El Salvador En el 85% del área se detectan suelos arenosos en estado medianamente compacto, con contenido de humedad entre 2 a 3% que indican que se encuentran prácticamente en estado seco. En los extremos sur y norte del distrito se encuentran suelos con menor grado de compacidad, pero también en estado seco. En estas áreas se han evaluado asentamientos diferenciales debidos a solicitaciones estáticas y dinámicas que producirían distorsiones angulares peligrosas para edificaciones livianas y de poco costo. En la zona noreste del distrito, se producen filtraciones provenientes de las Lagunas de Oxidación y sus canales respectivos, que discurren a lo largo de la Av. Separadora Agro-industrial, originando riesgo de licuación en caso de sismo severo. Existen algunos problemas de estabilidad de taludes y amplificación de onda sísmica debido a la construcción de viviendas en zonas inestables y con apoyo en roca y arena al mismo tiempo, o sólo en arenas en estado suelto y seco en otras.


Zonas de Riesgo Símico y Geotécnico 18 % del Área Total

CONCLUSION GENERAL Las zonas de mayor riesgo geotécnico y sísmico estudiadas se ubican en primer lugar en el distrito de Villa María del Triunfo que ocupan hasta el 40% del área total del distrito, luego encontramos que en San Juan de Miraflores el 28% del área que ocupa el distrito podría estar afectada por graves riesgos, seguida por Villa El Salvador con 18% y Chorrillos con 15% del área total.

CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES ESPECÍFICAS 1. Villa María del Triunfo presenta el mayor riesgo geotécnico y sísmico con respecto a las otras áreas investigadas, debido principalmente a su desarrollo urbano sin criterio técnico de ingeniería ni planificación urbana ya que este se encuentra entre cerros y quebradas que originarán graves efectos por modificación de onda sísmica en caso de un terremoto severo, además peligro por deslizamientos y por inestabilidad de muchas cimentaciones apoyadas sobre terrazas de pircas de piedra. 2. En

San

Juan

de

Miraflores

existe

fuentes

permanentes

de

humedecimiento del suelo arenoso suelto cercano a las Lagunas de Oxidación, el pase de líneas de alta tensión por encima de la población, constituyen un riesgo permanente para los habitantes. 3. En este distrito se ha encontrado viviendas sobre antiguos rellenos sanitarios, la cual se presenta hasta en un 85% del área total de un Asentamiento Humano, muy poblado, cercano a la autopista Panamericana Sur, que se constituye muy vulnerable a solicitaciones de cargas no sólo dinámicas sino también estáticas, así mismo como el peligro latente de escapes de gases por descomposición del material orgánico subyacente y que provocaría incendios y otros desastres. 4. Algunas áreas de los distritos de Villa El Salvador y de Chorrillos podrían estar sujetas a densificación e inclusive a licuación, como se ha podido detectar en zonas específicas de los alrededores de los Pantanos de Villa, así como deslizamientos de roca y arena suelta en

Cimentacion Arenas Sueltas

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